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高中化学人教版选修2教案 石油、煤和天然气的综合利用(课时1)

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石油、煤和天然气的综合利用 一、教材分析和建议在初中化学和必修化学 2中,都介绍了石油、煤和天然气的有关知识,并且,在必修化学 2中又介绍了较多的有机化合物知识。在此基础上,根据课程标准的要求,本课题从化石能源综合利用的角度,进一步介绍了石油、煤和天然气的知识。关于石油,教科书通过再现必修化学 2的一幅“原油分馏及裂化的产品和用途示意图”来引入,并用“思考与交流”的形式,使学生能回忆思考并充分交流,在此基础上,介绍了石油炼制的方法。石油的分馏和裂化,在必修化学 2中有简单介绍,本课题又简单介绍了其方法依据的原理和过程,但并没有过多涉及实际的生产原理和过程。关于天然气,学生已了解很多,本课题只是简单介绍了天然气作为有机化工基本原料的技术进步及应用前景。 关于煤,主要介绍了煤的干馏、煤的气化和液化。煤的液化近年来在研究和应用领域比较重视并有了一定的发展,我国在这方面也有新的进展,教科书强调煤的综合利用对于我国解决能源问题、环境问题的特殊意义。最后教科书还介绍了一碳化学的有关内容,使学生了解与传统的石油化工、煤化工和天然气化工发展不同的思路和趋势,帮助学生进一步体会和认识化学所特有的应用价值和魅力。教学建议如下: 1. 充分利用学生已有的相关知识,通过讨论、思考、交流认识石油、煤和天然气,教学中可利用教科书中的“学与问”和“思考与交流”,复习已学过的知识。 2. 配合课外活动,让学生通过查阅书籍、报刊、上网、调查访问等方式,收集有关石油、煤和天然气的有关信息,归纳整理或写出调查报告和小论文,在班上与同学交流。 教学重点:石油、煤和天然气综合利用的新进展。二、问题交流【学与问 1】天然气主要来自与石油伴生的油田中。天然气的主要用途是作燃料和化工原料。此问题由学生先交流,然后教师再进一步说明。【学与问 2】几种煤干馏的产品及主要成分: 【学与问 3】 【思考与交流 1】 石油炼制的方法有分馏、裂化、裂解等。 可让学生根据教科书表 216,进一步列举出他们身边见过或通过其他途径知道的石油化工产品的用途。 【思考与交流 2】参考必修化学 2,可让学生结合生活实际,列举一些他们生活中用到的以乙烯为原料生产的产品。【思考与交流 3】煤中所含的主要元素是碳。目前煤综合利用的主要方法是煤的干馏、煤的液化和气化。 C+O2 == CO2 2C+O2 == 2CO C+H2O == CO+H2练习与实践参考1. (1)可用淀粉碘化钾试纸。 (2)可用硝酸酸化的硝酸银溶液。 (3)氯气消毒会使水中所含的食物残渣和浮游生物等多种有机物发生变化,生成对人体有害的卤代烃(如三氯甲烷等)。这些卤代烃中有些是有毒的,有的还可能具有致癌和致畸作用。 2. (1)取水样加入少量肥皂水,振荡,观察有无沉淀或浑浊等现象发生。 (2)肯定含有碳酸钙和碳酸镁中的一种,或两种都存在,也有可能还含有氢氧化镁。 (3)参考教学资源。 3.举出三种生产、生活中氯化钠的用途即可。 4.Cl2+2Br- == 2Cl-+Br2 , 1.4×108 m3教学资源1. 水的硬度和人体健康 水的硬度最初是指水溶解肥皂的程度,现在主要用以指示水中含有钙、镁、锰、铁等盐类的浓度。国际上对水的硬度的表示方法和计算单位很不一致,我国目前习惯上以“德国度”来表示。如果 1升水中含有 10毫克氧化钙,这种水的硬度就是 1度。一般将 0~4度的水称为很软水,4~8度的水称为软水,8~16度的水称为中等硬水,16~30度的水称为硬水,30度以上的水称为最硬水。自然界中的饮用水中,雨水属软水,江、河、湖、塘等普通地面水的硬度大都不高,而地下水的硬度往往偏高。 水的硬度的高低与人体健康的关系极大。高硬度水中的钙、镁离子能与硫酸根结合,使水产生苦涩味,还会使人的胃肠功能紊乱,出现暂时性的腹胀、排气多、腹泻等现象。我国北方不少地方饮用硬度较高的地下水,所以久居南方的人初到北方,开始一段时间会出现所谓“水土不服”现象,时间长了,胃肠逐渐适应后,这种现象就会随之消失。 那么硬水是否毫无益处呢?情况恰恰相反,美、英等国家的一些科学家、医学家根据调查发现,人类的某些心血管疾病,如高血压和动脉硬化性心脏病的死亡率,与饮水的硬度成反比关系,即饮水硬度较高,心血管病的死亡率就低,水质硬度低,死亡率反而高。这是为什么呢?实验证明,缺镁可引起大白鼠的心肌坏死和心血管内膜钙盐沉着,而摄入较多量的镁可预防胆固醇所引起的动脉粥样硬化。生活在山区的人一般比较健康长寿,除了其他各种因素以外,与他们长期饮用矿物质含量比较高的山泉水有重要的关系。当然,生活用水的硬度也并非越高越好,硬度太高的水除了水味不好、对人体健康不利之外,还会使肥皂大大降低去污能力,会使水壶内生成水垢,而增加燃料的消耗等。硬度高的水对人毕竟是弊多利少,因此世界各国制定的饮用水质标准中,都对硬度作了明确的规定。我国目前对饮用水的硬度规定为“不超过 25度”。 2. 水垢的形成、危害和除去的方法 一般水垢的主要成分是碳酸钙、碳酸镁和硫酸钙,此外也还有硅酸钙、硅酸镁和氢氧化镁等物质。水垢大都坚硬如石,但也有松软如泥的,这要看水中杂质的性质而定。 通常,水垢的形成是因为水受热蒸发时,水中所含各种盐类发生物理、化学变化的结果。主要有以下几个方面:(1)最主要的原因是由于水在锅炉里不断蒸发,水中所含各种盐类不断浓缩,当达到饱和后即析出结晶。 (2)水中所含碳酸氢盐由于受热分解,生成难溶的碳酸盐沉淀。 (3)另一个重要原因是形成水垢的某些盐类(如 CaSO4)的溶解度,随温度的升高而下降。在加热锅炉时,热量必须经炉壁传入水中,所以炉壁的温度常高于炉内的水温,这些盐类在炉壁附近溶解度显著下降,于是析出结晶,聚结在炉壁主要受热面上。炉温越高的地方,水垢也聚结得越厚、越坚固。 水垢是热的不良导体,它的导热能力比一般钢铁小 30~50倍。锅炉内结有水垢后,就会严重影响热的传导,大量的热从烟道排出而散失。根据实验得知,锅炉内壁产生 1毫米厚的水垢,就要多消耗煤炭 3%~5%。 当锅炉内结成坚厚水垢后,锅炉中的水不能直接跟炉壁接触,炉壁的热不能被水很快吸收,炉壁温度就可烧至千度以上,在锅炉外表会形成一层易于脱落的氧化膜,发生严重的氧化腐蚀。此外,贴在锅炉内壁的水垢,在高温下,其中的卤化物产生卤素离子,卤素离子最易侵蚀钢铁,形成铁盐水垢,使锅炉内壁变脆。这种腐蚀还会不断向炉壁深处发展。以上这些,对锅炉形成内外夹攻,致使锅炉寿命大为缩短。 另外,当水垢分解时放出大量二氧化碳气体,会使水垢局部爆裂脱落。当炉壁处在高温状态下,一旦有水从水垢缝中渗入,炉壁骤然冷却,就会发生炸裂。 所以在生产中,锅炉内如果结了较多的水垢就要除去。除去的方法:一般是用 4%~5%的盐酸进行酸洗,酸洗时为了减少酸液对金属设备的腐蚀,常用乌洛托品作为缓蚀剂。 3. 离子交换剂简介 凡具有离子交换能力的物质称为离子交换剂。离子交换剂分无机和有机两大类: (1)无机离子交换剂无机离子交换剂有天然沸石和合成沸石等。这些离子交换剂使用历史最久,但只有阳离子交换剂,而且由于颗粒核心为致密结构,一般地说交换能力较低。现在工厂里已很少使用。(2)有机离子交换剂有机离子交换剂又可分碳质离子交换剂和有机合成离子交换剂两种。碳质离子交换剂,主要是磺化煤。这种交换剂因颗粒核心为粗松结构,交换反应可以在颗粒的表面和内部进行,所以它的交换能力比天然无机离子交换剂大,常用于硬水软化。碳质离子交换剂由于具有不耐热、机械强度低、交换容量小和再生剂耗费大等缺点,已逐渐被有机合成离子交换树脂代替。 有机合成离子交换剂,又称离子交换树脂,它是由交换剂本体和交换基团两部分组成。交换本体是高分子化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交联剂主要是使高分子化合物成为固体,并使其成为网状。交换基团是由能起交换作用的阳(阴)离子和与交换剂本体联结在一起的阴(阳)离子组成的。例如,磺酸型苯乙烯-二乙烯苯强酸性阳离子交换树脂,它的本体是苯乙烯高分子聚合物和交联剂二乙烯苯组成的共聚体。它的交换基团是磺酸基(—SO3H),其中 H+是可游离的阳离子,而 SO32-是和本体联结在一起的不可游离的阴离子。 常用的离子交换树脂一般都做成球状,因为球状树脂制法简单,而且球形磨损性小,表面积大,有利于交换。离子交换树脂多呈透明或半透明状,颜色有白、黄、黑及赤褐色等数种,几乎不溶于一切有机和无机溶剂中(除醛类外)。离子交换树脂在交换和再生时,体积会发生胀缩,经多次的胀缩后,就会发生老化和失效。 离子交换树脂可认为是一种不溶性固态的多价酸(或碱),它具有一般酸碱的反应性能,具有进行离子交换、催化及形成络盐等作用,不过离子交换树脂具有一定的选择性。 有机合成离子交换剂按加工成的形状,有①离子交换树脂;②离子交换膜;③离子交换纤维;④离子交换纸;⑤离子交换液;⑥离子交换块。目前使用最广泛的是离子交换树脂。它在电子、电力、医药、化工、冶金、造纸、纺织、石油、铁路、食品加工和原子能等工业部门中,已被广泛应用于纯水制取、硬水软化、原料提纯、脱色精制、元素分离、有机合成等方面,特别是在纯水制取及硬水软化方面,应用更为广泛。 4. 几种工业废水的处理(1)含氰废水含氰废水来自矿石萃取和采矿、照相加工、焦炉、合成纤维生产、钢的表面硬化和酸洗及工业气体洗涤,主要来源是电镀工业。 处理氰化物废水的方法有氯化法、电解法、臭氧氧化法、蒸发回收法以及反渗透、离子交换和催化氧化法。(2)酚类废水酚类污染物来源广泛:煤气、炸药、木材干馏、煤焦油蒸馏、炼油、浮选矿废液、农药、化工、树脂生产、显像剂、炼焦炉。这类废水可包括多种多样类似的化合物,其中有各种酚、氯酚和苯氧基酸。因此,从污染控制方法来说,按含酚废水中酚类浓度的不同,采用不同的处理方法。浓的含酚废水中回收酚比较普通和成功的方法,全都是用不混溶的有机溶剂萃取,此法效率极高,可回收 98%~99%的酚。中等含酚浓度废水,广泛地采用生物法来处理,生物法包括有活性污泥法等。稀含酚废水通常用化学法或物理化学法,而不用生物法。(3)含油废水含油废水的主要来源是钢铁制造、金属加工、炼油厂以及食品加工工业。 含油废水的处理在基本原理上类似于生活下水的处理。先用初级处理将浮油(游离油)从水和乳化含油物料中分出。然后,再用二级处理以破坏油—水乳液并将剩下的油与水分离。(4)氟化物废水氟化物废水的来源有:焦炭生产、玻璃和陶瓷制造、晶体管制造、电镀、钢和铝加工以及农药和肥料生产。玻璃和电镀废水一般含有呈氟化氢(HF)或氟离子(F-)形态的氟。肥料生产过程中排出的氟化物,由于是处理磷矿,一般呈四氟化硅(SiF4)形态。制铝工业用氟化物冰晶石(Na3AlF6)作为铝矾土还原的催化剂,生成的气态氟化物经洗涤而转换成水相废液。 有多种方法可用来处理含氟化物废水,较重要的有沉淀法和吸附法。沉淀法系加化学品处理,形成氟化物沉淀或氟化物在生成的沉淀物上共沉淀,通过沉淀物的固体分离达到氟的去除。采用的化学品有石灰、镁化合物和硫酸铝。——摘编自杨宏秀等编.化学与社会发展.化学工业出版社,2002 5. 煤的气化 与常规燃烧工艺并存的技术是把煤转化为另一种燃料形式,即气体和液体燃料燃烧。从能量转换的角度来讲,煤的气化技术是把固体(煤)的化学能转换成易于利用的气体的化学能的过程。煤的气化反应可分成:煤的热分解即干馏,以及随后的炭(或焦炭)的气化反应。干馏气体大部分是甲烷和氢: 然后,炭与作为气化剂的空气、氧气、水蒸气和氢进行反应,产生的气体又相互反应。 (1)氧化燃烧(与氧反应) C+O2 - CO2 (2-1) C+1/2O2-CO(2-2) (2)蒸汽转化(与水蒸气反应) C+H2O-CO+H2(2-3) C+2H2O-CO2+2H2 (2-4) CO+H2O-CO2+H2(2-5) (3)甲烷化(与氢反应) C+2H2-CH4 (2-6) CO+3H2-CH4+H2O (2-7) (4)还原反应 C+CO2-2CO(2-8) 煤的气化反应比较复杂,在气化炉内先后或同时发生氧化燃烧、还原、转化、甲烷化反应。式(2-3)、式(2-5)、式(2-8)为吸热反应,余为放热反应。式(2-3)是煤气化的主反应之一。式(2-4)是式(2-3)的副反应,温度高于 1 000 ℃时可以忽略,式(2-5)为一氧化碳变换反应,只有在催化剂存在下才以显著的速率进行,式(2-6)、式(2-7)在加压气化下较为重要。 煤的气化有 3种可能的应用途径,如图 2-1所示。 由此可见,将煤与空气和水蒸气(在大气压下)起反应,所得的煤气热值大约在 4.7~5.6 MJ/m3,这主要是因为有大量的起稀释作用的氮气存在于煤气中的缘故。这样的煤气热值很低(例如发生炉煤气),能直接用于工业上作气体燃料。 将煤与氧-水蒸气混合物起反应,所得气态产物主要是一氧化碳和氢(还有少量 CO2),其热值大约是 11.2~13.0MJ/m3。这种煤气可用于化学工业上(合成煤气)的后处理以制造氨、甲醇等,或者也可作为合成天然气的组分之一,以供民用。 当在高压下用水蒸气和氧进行煤气化时,会生成甲烷。通过催化甲烷化的过程会产生更多甲烷,而最终产物是含有大量甲烷的煤气,其热值约 35.4~37.3MJ/m3,这就被称之为合成天然气或者管道优质煤气。 煤的气化技术在生产城市煤气、提高动力工业的发电效率和在化学工业中代替部分天然气和石油产品等方面,受到广泛的重视。中国煤的蕴藏十分丰富,发展煤的气化技术对提高城市煤气普及率、发展相关工业等方面将起重要作用。 6. 煤液化技术 煤的液化方法主要分为煤的直接液化和煤的间接液化两大类。(1)煤直接液化煤在氢气和催化剂作用下,通过加氢裂化转变为液体燃料的过程称为直接液化。裂化是一种使烃类分子分裂为几个较小分子的反应过程。因煤直接液化过程主要采用加氢手段,故又称煤的加氢液化法。(2)煤间接液化间接液化是以煤为原料,先气化制成合成气,然后,通过催化剂作用将合成气转化成烃类燃料、醇类燃料和化学品的过程。 1923年,德国开发成功费托合成技术,将一氧化碳、氢合成烃类燃料。二次大战后,仅有南非出于政治和地理因素,在 20世纪 50年代后,先后建立了大型以煤为原料的 SASOL-Ⅰ、SASOL-Ⅱ、SASOL-Ⅲ费托合成油工厂。1973年第一次石油大幅度涨价以后,在寻找替代能源的过程中,甲醇及低碳醇的优异的抗爆性能,以及低碳醇对汽油混合燃料的助溶性能,使醇类燃料的应用前景引人注目。同时,美国莫比尔公司开发的将甲醇直接转化为高辛烷值汽油的技术在新西兰投入工业应用,促进了煤间接液化技术的发展。煤间接液化工艺流程主要包括:煤气化、气体净化、合成及产品分离与改质等部分。煤间接液化技术具有下述特点:①使用一氧化碳和氢,故可利用廉价碳资源;②可按需要调整产品结构;③工艺过程中各单元与石油炼制工业相似,可以借鉴。 7. 石油炼制 地下开采出来的石油,未经加工前,叫做原油,从原油中提取各种燃料油、润滑油、石蜡、沥青等产品的生产过程,通常叫石油炼制。要了解石油炼制的生产过程,首先需要知道石油的化学组成、物理性质等基础知识。 (1)石油石油是化石燃料之一,是从地下深处开采出来的黄色乃至黑色的可燃性黏稠液体,常与天然气并存。它是由远古海洋或湖泊中的生物,在地下经过漫长的地球化学演化而形成的复杂混合物,其组分主要是烃类。石油是现代社会主要能源之一。目前全世界每年约消耗石油 30亿吨,其中 85%以上作为燃料。石油的组成石油的主要组成元素是碳和氢,其中碳占 83%~87%,氢占 11%~14%,氢碳原子比为 1.65~1.95。此外,尚含有少量硫(0.06%~8.00%)、氮(002%~1.70%)、氧(0.08%~1.82%)以及微量金属元素(镍、钒、铁、铜等)。石油的组分构成复杂,含有相对分子质量从几十到几千的各种组分。组成石油的化合物主要是烃类,包括烷烃、环烷烃和芳烃。 ——摘编自杨宏秀等编.化学与社会发展.化学工业出版社,2002 8. 石油的催化反应 裂化用加热蒸馏的办法所得轻油约占原油的 1/3~1/4。但社会需要大量的分子量小的各种烃类,采用催化裂化法,可以使碳原子数多的碳氢化合物裂解成各种小分子的烃类,如: 裂解产物成分很复杂,从 C1至 C10都有,既有饱和烃又有不饱和烃,经分馏后分别使用。裂解产物的种类和数量随催化剂和温度、压力等条件不同而异。不同质量的原油对催化剂的选择和温度、压力的控制也不相同。我国原油成分中重油比例较大,所以催化裂化就显得特别重要,对外国的经验只能借鉴,不能照搬。经过 30多年的研究和实践,我国已开发适用于我国各种原油的一系列铝硅酸盐分子筛型催化剂。经催化裂化,从重油中能获得更多乙烯、丙烯、丁烯等化工原料,也能获得较多较好的汽油。催化重整这是石油工业中另外一个重要过程。在一定的温度压力下,汽油中的直链烃在催化剂表面上进行结构的“重新调整”,转化为带支链的烷烃异构体,这就能有效地提高汽油的辛烷值,同时还可得到一部分芳香烃,这是原油中含量很少而只靠从煤焦油中提取不能满足生产需要的化工原料,可以说是一举两得。现用催化剂是贵金属铂(Pt)、铱(Ir)和铼(Re)等,它们的价格比黄金贵得多,化学家们巧妙地选用便宜的多孔性氧化铝或氧化硅为载体,在表面上浸渍 0.1%的贵金属,汽油在催化剂表面只要 20~30 s就能完成重整反应。 加氢精制这是提高油品质量的过程。蒸馏和裂解所得的汽油、煤油、柴油中都混有少量含 N或含 S的杂环有机物,在燃烧过程中会生成 NOx及 SO2等酸性氧化物污染空气,当环保问题日益受关注时,对油品中 N,S含量的限制也就更加严格。现行的办法是用催化剂在一定温度和压力下使 H2和这些杂环有机物起反应生成 NH3或 H2S而分离,留在油品中的只是碳氢化合物。自 70年代末开始,石油化工科学研究院针对我国油品特点,开展了大量基础研究工作,开发出多种加氢催化剂,基本满足了国内炼油工业的需要,并有出口。这类催化剂以 Al2O3为载体,活性组分有钴钼(Co-Mo)、镍钼(Ni-Mo)、镍钨(Ni-W)等体系。 综上所述,石油经过分馏、裂化、重整、精制等步骤,获得了各种燃料和化工产品。有的可直接使用,有的还可以进行深加工。所以炼油厂总是和几个化工厂组成石油化工联合企业,那里是技术密集、资本密集、劳动力密集的地区。 在石油工业中,把常压蒸馏和减压蒸馏叫做一次加工,这是物理变化过程,而裂化、重整和加氢控制等则叫二次加工,它们都属化学变化过程。这些过程都涉及催化剂,催化剂的研制是石油化工不可缺少的组成部分。催化作用的奥秘是化学工作者十分感兴趣的研究领域。 ——摘编自唐有祺,王夔.化学与社会.高等教育出版社,1997

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